小型北极清澈湖泊深层沉积物中热不稳定有机碳与含铁矿物的关联

《Arctic, Antarctic, and Alpine Research》：Association of thermally-labile organic carbon with iron-bearing minerals in deep sediments of a small, Arctic clearwater lake

　　

土壤和沉积物中有机碳（OC）的稳定性和持久性在很大程度上被认为受矿物基质，尤其是活性铁（Fe）相与有机碳的关联作用所控制。然而，在通常富含有机碳的湖泊沉积物中，这些有机-矿物相互作用尚未得到充分评估。在此，研究人员对从瑞典北极地区一个小型清澈湖泊沿湖深梯度采集的三根沉积物岩心进行了详细分析，以探究沉积物地球化学的变异性以及矿物保护在有机碳保存中的作用。虽然两根较浅的沿岸岩心的矿物学特征相似，主要成分为（铝）硅酸盐，但最深部位的沉积物还包含铁氧化物，并具有高出6–7倍的比表面积，表明具有更大的有机-矿物相互作用潜力。较高的比表面积与更多的热不稳定OC密切相关（ρ = ?0.71, p = 0.01），但与OC储量无关（ρ = 0.05, p = 0.89）。多项独立指标表明，与较浅区域相比，深盆OC更具脂肪族特性、降解程度更低，且可能源于浮游藻类。研究人员提出，OC质量的空间格局并非仅仅是不同OC来源或水动力分选的结果，还受到有机-矿物稳定化能力差异的调控。

全球约有65%的湖泊分布在北方高纬度地区，在北极碳循环中扮演重要角色。湖泊沉积物是长期碳汇，其碳储存规模可与全球海洋相当。有机碳（OC）在沉积物中的保存受来源、化学性质及降解程度的影响。已有研究表明，矿物基质特别是活性铁（Fe）相与OC的相互作用能促进有机碳的稳定和持久保存。然而，在通常更为富碳的淡水湖泊沉积物中，这类有机-矿物相互作用尚未被充分评估。此外，湖盆内沉积物地球化学和有机碳动态存在空间异质性，但以往研究多集中于北方或大型湖泊，对北极小型清澈湖泊缺乏深入认识。这类湖泊营养贫乏，底栖初级生产占主导，且湖盆内氧化还原条件随深度变化，从而可能影响Fe相与OC的关联。因此，开展沿湖深梯度的多岩心研究对于理解北极湖泊碳循环具有重要意义。

该研究以瑞典北极地区Tornetr?sk流域内代表小型清澈湖泊的BD03湖为对象，在浅（2.7 m）、中（5.9 m）、深（7.5 m）三个深度采集了沉积物岩心，系统分析了沉积物矿物学、比表面积、元素组成、有机官能团、热稳定性以及稳定同位素等指标，探索了湖深梯度上OC数量和质量的变化。结果显示，尽管三个岩心的OC浓度和埋藏速率相似，但深盆沉积物含有针铁矿等Fe氧化物，其比表面积高出浅湖和中间深度沉积物6–7倍，并且高比表面积与更热不稳定的OC显著相关（ρ = ?0.71，p = 0.01），而与OC储量无关（ρ = 0.05，p = 0.89）。多种独立指标表明深盆OC更脂肪族、降解程度更低，可能来源于浮游藻类，而浅层沉积物中底栖藻类信号更强。由此得出，OC质量的空间格局受不同OC来源和水动力分选影响，但同时也受有机-矿物稳定化能力差异的调控。该研究强调，有机-矿物相互作用可能是北极湖泊深部沉积物中易降解OC得以保存的重要机制，揭示了湖内空间异质性对于评估北极湖泊在全球碳循环中作用的关键意义。论文发表在《Arctic, Antarctic, and Alpine Research》。

研究方法上，研究人员用重力采泥器在三个湖深部位采集短岩心，以1 cm间隔挤出并冷冻干燥。以210Pb放射性同位素测年建立年代框架。矿物组成用粉末X射线衍射（XRD）分析；比表面积用B.E.T. N₂吸附法测定；表面元素及化学态用X射线光电子能谱（XPS）和扫描电子显微镜-能谱（SEM-EDX）分析；有机官能团用傅里叶变换红外光谱（FTIR）结合多元曲线分辨-交替最小二乘法（MCR-ALS）解析；热稳定性用热重分析（TGA）得到反应性指数（Rp）；C、N含量和稳定同位素用元素分析仪-稳定同位素质谱测定。统计采用方差分析/秩和检验和Spearman相关。样本采集自瑞典北极BD03湖的浅、中、深三个区域。

#### 沉积速率与OC埋藏
通过210Pb测年，发现三个岩心的平均沉积速率相近（0.12–0.15 cm yr^?1），OC含量（%OC）在各岩心间无显著